[發明專利]一種納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管析氧催化劑及其制法

在審

• 申請號: 202010945498.4
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN111992238A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 馮程程
• 申請（專利權）人: 安徽晟源環保新型材料有限公司宿馬分公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;C25B11/06;C25B1/04;C01G51/04;C01B32/166;C01B32/162;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京恒泰銘睿知識產權代理有限公司 11642
• 代理人: 周成金

本發明涉及電催化技術領域，且公開了一種納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管析氧催化劑，經過濃硫酸/濃硝酸混酸體系酸化后，得到的氧化超短碳納米管長度大大縮減，形成大量邊緣缺陷，以尿素為氮源、高溫熱處理得到氮摻雜超短碳納米管，其表界面的邊緣缺陷摻雜氮原子后，形貌發生部分卷曲，充分暴露氧析出催化活性位點，以氮摻雜超短碳納米管作為載體，得到草酸鈷中間體，高溫煅燒得到納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管，氮摻雜超短碳納米管具有良好的電學性能和化學性能，加速電子轉移，解決了納米四氧化三鈷催化劑導電性低的問題，納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管表現出更低的析氧過電位和優異的氧析出催化性能。

技術領域

本發明涉及電催化技術領域，具體為一種納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管析氧催化劑及其制法。

背景技術

燃料電池是一種通過電化學反應，將燃料和氧化劑中的化學能高效、無污染的轉化為電能的新能源轉換裝置，是未來能源體系中重要的組成部分，但是，燃料電池中重要的陽極氧析出反應，其緩慢的動力學嚴重拉低了整個電化學體系的工作效率，當前的商業化氧析出反應催化劑主要是Ir基和Ru基材料，但其價格昂貴，嚴重制約了其在工業生產中的大規模應用。

目前開發一種原料來源豐富、催化性能和穩定性優異的非貴金屬催化劑是解決燃料電池成本、壽命瓶頸的關鍵，在各種非貴金屬催化劑中，納米結構的四氧化三鈷因其價格低廉、儲量豐富、在堿性電解質中活性和耐久性高而引起廣泛關注，但是其導電性低，嚴重制約了其發揮優異的電催化性能，為了解決這個問題，一種有效的方法就是將四氧化三鈷與導電性高的材料結合起來。

碳納米管作為一種有單層或多層石墨卷曲而成的二維管狀材料，具有良好的電學性能、化學性能，在氧析出領域表現出不錯的應用前景，但是，其表面惰性、親水性差、真實比表面積小等缺點，嚴重制約其實際應用，因此，對碳納米管進行功能化是一種有效的方式，目前，實驗研究表明，氮摻雜可以有效地提高碳納米管的催化活性，同時，通過化學切割，不僅可以有效增大碳納米管的比表面積，還可以在碳納米管表界面引入缺陷，這些缺陷可以作為活性位點摻雜氮原子，調控碳納米管的能帶和電子結構，從而增強其表界面的清水性、潤濕性、碳納米管本征導電性。

(一)解決的技術問題

針對現有技術的不足，本發明提供了一種納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管析氧催化劑及其制法，解決了四氧化三鈷析氧催化劑的導電性差、析氧催化活性較低的問題。

(二)技術方案

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管析氧催化劑，所述納米四氧化三鈷負載氮摻雜超短碳納米管析氧催化劑制備方法如下：

(1)向燒杯中緩慢加入體積比為3:1的濃硫酸、濃硝酸，在冰浴下，加入碳納米管、高錳酸鉀，在水浴超聲裝置中處理6-18h，加入去離子水稀釋，然后加入雙氧水，充分攪拌1-3h后，得到懸浮液，過濾，用去離子水和無水乙醇洗滌干凈并干燥，得到氧化超短碳納米管；

(2)將氧化超短碳納米管和尿素混合，在氬氣氣氛下，700-1100℃熱處理1-3h，得到氮摻雜超短碳納米管；

(3)向燒杯中加入去離子水，再加入氮摻雜超短碳納米管，超聲分散處理，加入硝酸鈷，隨后一邊攪拌一邊加入草酸溶液，反應2-4h，離心收集、用去離子水和無水乙醇洗滌干凈并干燥，混合產物置于管式爐中，在空氣氛圍下，320-380℃熱處理2-4h，得到四氧化三鈷納米棒負載氮摻雜超短碳納米管。

優選的，所述步驟(1)中碳納米管、高錳酸鉀、雙氧水的質量比為100:200-400:600-800。

優選的，所述步驟(2)中氧化超短碳納米管和尿素的質量比為100:400-600。

優選的，所述步驟(3)中氮摻雜超短碳納米管、硝酸鈷、草酸的質量比為15-20:100:360-400。